Amélioration des propriétés mécaniques, thermodynamiques et autocicatrisantes de l'asphalte par l'incorporation de nanoparticules de silice

Improving mechanical, thermodynamical and self-healing properties of asphalt by the incorporation of silica nanoparticles

• Auteur / Autrice : Nawal Abbad El Andaloussi
• Direction : Ali Zaoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 16/02/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCgE - Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement
• Jury : Président / Présidente : Fahmi Zaïri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ali Zaoui, Fahmi Zaïri, Siham Kamali, El-Hadj Kadri, Amine Bouibes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Siham Kamali, El-Hadj Kadri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géomatériaux

Matériaux auto-réparants

Chaussées -- Fissuration

Viscoélasticité

Dynamique moléculaire

Nanoparticules de silice

Asphalte

Mots clés libres

Propriétés auto-cicatrisantes

Asphalt

Nanoparticles

Self healing

Molecular dynamics

Civil engineering

Mechanical and thermodynamical properties

Résumé

L’asphalte joue un rôle très important dans le domaine du Génie Civil. En effet, il s’agit du matériau principal de construction des chaussées. Il est également utilisé dans la construction des bâtiments pour garantir l’étanchéité. Suite au trafic fréquent et spécialement des poids lourds, les chaussées se retrouvent rapidement abimées, avec l’apparition de nano fissures qui finissent par s’élargir et donnent naissance à des micro fissures et orniérages si elles ne sont pas traitées rapidement. Avec l’introduction de l’eau dans ces fissures et le changement climatique qui conduit au cycle de gel/dégel, les ‘nids de poules’ apparaissent. De ce fait, la durée de vie des chaussées diminue, nécessitant des entretiens fréquents et couteux. En raison de ses propriétés viscoélastiques, l’asphalte a des capacités naturelles d’auto-cicatrisation. Des recherches ont été menées, aussi bien expérimentalement que théoriquement, dans le but de mieux comprendre ce phénomène. Les résultats correspondants ont montré que même si les fissures se cicatrisent, le matériau subit une perte partielle importante de ses propriétés.Des études expérimentales ont montré que l'insertion de nouveaux additifs améliorent les propriétés cicatrisantes de l'asphalte. Parmi ces additifs figurent les argiles de type bentonite (BT) et bentonite modifiée organiquement (BOT), les nanotubes de carbone et la nano-silice. En ajoutant de 1% à 6% du rapport de masse, on obtient une meilleure performance du niveau d'auto-guérison. Ainsi, le principal objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension des différents processus se produisant -à l’échelle nanométrique- dans la structure asphalte modifiée par la nano-silice. Le but final est celui de l’amélioration des propriétés mécaniques, thermodynamiques, et d’auto-cicatrisation de l’asphalte en utilisant la méthode de dynamique moléculaire (DM). Afin de modéliser la structure atomique de l’asphalte, nous avons choisi le modèle Asphalt2 de Zhang et Greenfield, avec une fraction 20 : 20 : 60. Nos travaux préliminaires ont d’abord concerné les propriétés mécaniques et thermodynamiques, ainsi que le processus d’auto-cicatrisation de l’asphalte. Ensuite, une étude préalable liée à l’effet de taille et de densité a été effectuée afin de déterminer le dosage optimal de nano-silice nécessaire pour améliorer les propriétés thermo-mécaniques et d'auto cicatrisation de la structure altérée de ce matériau. L'analyse comparative des propriétés mécaniques et structurelles a montré l'efficacité du processus d'auto-guérison. En effet, l'insertion de nano-silice améliore les propriétés mécaniques de l'asphalte avec plus de 19% de ses performances initiales et réduit la perte énergétique lors du processus de cicatrisation. Par conséquent, la durée de vie de l'asphalte est prolongée, ce qui a un impact direct sur sa durabilité et ses performances mécaniques. Par ailleurs, la comparaison des indices de cicatrisation, entre la structure pure et altérée de l'asphalte, montre une nette augmentation de la vitesse de cicatrisation et une diminution de l'énergie d'activation.

Asphalt plays a very important role in the field of Civil Engineering. Indeed, it is the main material for the construction of pavements. It is also used in the construction of buildings to ensure waterproofing. As a result of frequent traffic and especially of heavy goods vehicles, the pavements are quickly damaged, with the appearance of nanocracks which eventually widen and give rise to micro cracks and ruts if they are not treated quickly. With the introduction of water into these cracks and climate change leading to the freeze / thaw cycle, 'potholes' are appearing. As a result, the lifetime of pavements decreases, requiring frequent and expensive maintenance. Because of its viscoelastic characteristics, asphalt has natural self-healing capacities. Research has been carried out, both experimentally and theoretically, in order to better understand this phenomenon. The corresponding results showed that even if the cracks heal, the material suffers a significant partial loss of its properties.Experimental studies have shown that the insertion of new additives improve the healing properties of asphalt. These additives include bentonite (BT) and organically modified bentonite (BOT) clays, carbon nanotubes and nano-silica. By adding 1% to 6% of the mass ratio, better performance of the self-healing level is obtained. Thus, the main objective of this thesis is to contribute to the understanding of the different processes occurring -at the nanoscale- in the asphalt structure modified by nanosilica. The ultimate goal is to improve the mechanical, thermodynamic, and self-healing properties of asphalt using the molecular dynamics (MD) method. In order to model the atomic structure of asphalt, we have chosen the Asphalt2 model of Zhang and Greenfield, with a fraction 20:20:60. Our preliminary work first concerned the mechanical and thermodynamic properties, as well as the process of self-healing asphalt. Then, a preliminary study related to the effect of size and density was carried out in order to determine the optimal dosage of nanosilica necessary to improve the thermo-mechanical and self-healing properties of the altered structure of this material. The comparative analysis of mechanical and structural properties showed the efficiency of the self-healing process. Indeed, the insertion of nanosilica improves the mechanical properties of the asphalt with more than 19% of its initial performance and reduces energy loss during the healing process. As a result, the life of asphalt is extended, which has a direct impact on its durability and mechanical performance. Moreover, the comparison of the healing indices, between the pure and altered structure of the asphalt, shows a clear rise of the healing speed and a decrease in the activation energy.